化工热力学_02流体的p-V-T关系

1第二章流体的p-V-T关系学时:8(共4讲，第2-5讲)目的要求:(1)熟悉纯物质的p-V-T图及相图上的重要概念（重点）。(2)应用R-K方程、两相维里方程计算单组分气体的p-V-T关系。(3)正确、熟练地应用三参数普遍化方法计算单组分气体的p-V-T关系。(4)理解对比态原理及三参数对比态原理计算物性的方法，了解偏心因子对比态原理（重点）。2第一节纯物质的p-V-T性质(第1讲，重点)物质的状态及性质的变化是由于温度、压力变化引起的，因此流体的p-V-T数据是化工生产、工程设计和科学研究最为基本的数据，是化工热力学的基础。(1)可以通过p-V-T关系实现流体的P、V、T三者之间的互算(2)内能、焓、熵等数据需通过p-V-T关系推算而得p-V-T关系+Cp焓、熵理想功、损失功、有效能化工过程能量分析能量的有效利用(3)相平衡的研究离不开流体的p-V-T关系p-V-T关系混合物各组分的化学位、逸度系数相平衡性质物质分离物质的有效利用32.1.1纯物质的p-V-T三维立体图图2-1纯物质的P-V-T相图凝固时收缩凝固时膨胀固固液液汽气临界点气临界点液固汽4图2-1-2p-V-T相图的投影图六线、六区、一点5(1)在单相区，等温线为光滑的曲线或直线，高于临界温度的等温线光滑无转折点；(2)TTC,等温线有转折点，由三部分组成。且体系汽-液两相的比容（体积）差随温度和压力的上升而减少。(3)饱和液相曲线左边的区域为过冷液体区、饱和气相线右边的区域为过热蒸汽区。22,0TCPV曲率(4)T=TC,等温线出现水平拐点，其一阶和二阶导数皆为零.斜率,0TCPVPC饱和液相线（泡点线）饱和汽相线(露点线)液/汽液汽气VC纯物质的P-V图等温线在不同相区的特点：6(1)当P=Pc,T=Tc时，两相性质相同；(2)当TTc,PPc，即处于超临界流体区时，不是气体，也不是液体。若A点（液相状态）变化到B点（汽相状态），这个过程是一个渐变的过程，没有明显的相变化。图2-1-3纯物质的P-T图临界点附近流体性质：7补充1：超临界流体（SCF）萃取的原理利用压力和温度对超临界流体性质的影响。SCF的密度和液体相近，粘度高于气体但明显低于液体，扩散系数为液体的10-100倍，对物料有较强的溶解能力和较好的渗透性，可将物料中某些成分提取出来。SCF的密度和介电常数随体系的p而，极性，利用程序升压可将不同极性的成分分步提取。超临界CO2最为常用。8例题：1.判断并说明理由（1）纯物质由蒸汽变为液体必须经过冷凝的相变化过程。（2）纯物质的三相点随所处压力或温度的不同而改变。（3）指定温度下的纯物质，当压力低于该温度下的饱和蒸汽压时，气体状态为过热蒸汽。（4）T温度下的过热蒸汽，压力PPS(T)（5）纯物质的饱和液体的摩尔体积随着温度升高而增大，饱和蒸汽的摩尔体积随着温度的升高而减小(1)（错，可通过超临界流体区）(2)（错，不变）92.填空对于纯物质，一定温度下的泡点压力与露点压力（），一定温度下的泡点与露点在P-T图上是（），在P-V图上是（），泡点的轨迹称为（），饱和气相、液相与三相线所围区域是（），纯物质汽液平衡时，压力称为（），温度称为（）。相同；重叠；分开；饱和液相线；气液共存区；蒸汽压；沸点10目的要求：（1）了解目前存在的状态方程的分类及应用条件。（2）用P、V、T数据中已知的两个参数求第三个参数；（教学重点）（3）用状态方程计算不能直接从实验测定的其它热力学性质；（4）用状态方程进行相平衡和化学反应平衡计算。（教学难点）第二节流体的状态方程（EquationofState）(第2讲，重点)112.2.1理想气体状态方程（1）理想气体的两个假设a:气体分子间无作用力；b:气体分子本身不占有体积PV=nRT（2）理想气体状态方程应用注意事项：a:理想气体本身为假设的，实际不存在。但它是一切真实气体当P趋于0时可以接近的极限，该方程可以用来判断真实气体状态方程的正确程度。12c:应用时注意R当T(K),P(Pa),V(m3/mol)时，R=8.314J/mol.K当T(K),P(Pa),V(m3/kmol)时，R=8.314×103J/kmol.K112212;;PVPVmPVnRTRTPMRTnRMTT（3）理想气体状态方程的变型b:低压下的气体（特别是难液化的N2、H2、CO、CH4等），在工程设计中，在几个大气压下，仍可按照理想气体状态方程计算P、V、T；而较易液化的气体，如NH3,CO2,C2H4等，在较低的压力下，也不能用理想气体状态方程计算。132.2.2Virial（维里）方程维里方程利用统计热力学分析了分子间的作用力具有坚实的理论基础。''2'31pVzBpCpDpRT微观上，第二维里系数（B或B’）反映两分子之间的相互作用，第三维里系数（C或C’）反映三分子之间的相互作用；宏观上，维里系数仅是温度的函数231pVBCDzRTVVVRTBB'33)(23'RTBBCDD密度型压力型22)('RTBCC14常用的舍项维里方程（TTC,p1.5Mpa）：维里系数的获取：（1）统计热力学进行理论计算，应用较少；（2）由实验测定或文献获取，精度较高；（3）用普遍化关联式进行计算，精度不如实验测得。RTBpBVBZ1p11'维里方程的缺点：（1）只能计算气体，不可以计算液体；（2）维里方程截断式不适合高压15例题1试用下列方法计算200℃、1.013MPa的异丙醇蒸气的V值与Z值。已知异丙醇的维里系数实验值B=-388cm3/mol，C=-26000cm6/mol2(1)理想气体方程；（2）RTBpZ1（3）21VCVBZ16）（）（）理想气体方程（1366cm38831013.015.127320010314.81molPRTV）（136666cm349510013.110)15.273200(314.89000.09000.0)15.273200(10314.810013.1)388(11)2(molpZRTVZRTBpZ178848.0,3426260003881)15.273200(10314.810013.111)3(1326622ZmolcmVVVVVCVBRTpVVCVBZ迭代计算得：182.2.3立方型状态方程（两常数状态方程）立方型状态方程可以展开成为V的三次方形式。192.2.3.1VanderWaals(vdW)方程(1)vdW方程是后续立方型方程的基础2aV其中：压力修正项,a表示气体分子间的相互作用，单位为Pa.m6.mol-2b:体积修正项：表示每摩尔实际气体分子因分子本身占据体积而使分子自由活动空间减小的数值。单位：m3.mol-1不同物质具有不同的a,b值。2VabVRTp20(2)a,b常数的确定2320()cccRTaVbV34260()cccRTaVbV3cVb9;8ccRTVaccccpRTbpTRa8642722或0)(0)(22CCTTTTVpVp对于纯物质的P-V图，在临界温度的等温线有一显著特点，临界点既是切点又是拐点。临界点处：21(2)Zc=0.375，大于实际测量值（0.23－0.29）(1)对于特定物质，临界参数一定，a,b值也一定；不同物质有不同的临界点，故不同物质a,b值也不同。vdW方程精度不高，只能用于估算。证明如何Zc=0.375？222CCCCVabVRTp2VabVRTpCCCCCCCCCVRTVVRTVVRTp8389322320()cccRTaVbV34260()cccRTaVbV3cVb9;8ccRTVa0)(0)(22CCTTTTVpVp证明Zc=0.37583CCCCRTVpZ232.2.3.2Redlich-Kwong(RK)方程0.5()TRTaPVbVVb22,0TCPV,0TCPV0.08664ccRTbP22.50.42768caRT注意RK方程中a,b与vdW方程中的a,b值不同，但都具有单位。特点：(1)Zc=0.333,气相p-V-T计算较好，液湘计算效果较差，不能预测纯流体的蒸汽压；(2)非极性、弱极性物质误差在2％左右，强极性物质误差在10－20％，所以不能用于强极性物质。(3)两参数方程简单、计算方便。24例题2希望将5mol、285K的CO2气体通过压缩机压缩成中压气体，然后灌装到体积为3005.5cm3的钢瓶中，以便食品行业使用，请问压缩机需要加多大的压力才能到达这样的目的。试用RK方程计算。25135625.0665.225.2221341321097075.210376.72.304314.808664.008664.0657.4610376.72.304314.842748.042748.0376.7,2.304CO10011.61.60155.3005COmolmpRTbmolKmPpTRaMppKTmolmmolcmnVVCCaCCaCC的临界参数为：气体的摩尔体积为总26的压力因此压缩机需要MPa137.31037.1310)297075.0011.6(10011.62854675.610)297075.0011.6(285314.8)(6445.045.0apbVVTabVRTp27220.520.50.42748(,)1(0.481.5740.176)()()(,)(1)(,)0.08664ccrrccrcrRTPTTRTbaTaTTTP为2.2.3.3Soave-Redlich-Kwong(SRK)方程Zc=0.333,S-R-K方程可用于两相PVT性质的计算，对于极性和含氢键物质计算，精度很高。其中a不仅是物性的函数，还是温度函数)()(bVVTabVRTp28计算机求解步骤（RK和SRK方程）22.5221()(216);(216)11(216)(),()AhbBZahbhBhVZbpBcRTapapARKASRKRTRT其中2162161()baZhZ设初值Z1-Z误差允许，迭代结束误差较大，重新迭代29例题3将1kmol氮气压缩于容积为0.04636m3、温度为273.15k的钢瓶内。此时氮气的压力多大？分别用理想气体方程、RK方程计算。其实验值为101.33MPa.30517.0100133.1/10987.8410133.01108987.4)10636.4/(15.273314.8)1(87875）（）误差：（理想气体方程PaVRTp129.0)100133.1/()108307.8100133.1(108307.810)6763.2636.4(636.4)15.273(5546.110)6763.2636.4(15.273314.8106763.210394.31.126314.808664.05546.110394.3)1.126()314.8(42748.0394.3126.1K,TRK)2(8787105.05135625.0665.22C误差：方程aaCppmolmbmolKmPaMPap312220.520.5()()(,)0.457235(,)(,)1(0.376461.542260.26992)(1)0.07780cccrrrrccRTaTaTTTPTTRTbP为2.2.3.4